四足仿生移动机器人结构设计.doc

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1、毕业设计说明书作 者： 学 号： 系： 机械工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 题 目： 四足仿生移动机器人结构设计 指导者： 副教授 评阅者： 毕业设计（论文）外文摘要四足仿生移动机器人结构设计摘要：本设计为四足仿生移动机器人，远程遥控并能全自主自动动作。它包括机体、由伺服电机带动的腿结构，机体上装有控制装置，腿结构分为髋关节、大腿长、膝关节、小腿关节、足端，通过四个伺服电机控制四自由度变量，从而实现机器人的仿生移动。该移动机器人能适应比较复杂且不可预测的非结构环境, 在保证足够强度、刚度的条件下，对整体的质量要加以限制，以减少驱动源的动力消耗，使机器人轻便灵活。设计机身总重15KG，

2、采用轻而且坚固的LY2硬质铝合金作为腿结构材料，平均机动速度0.4m/s，机构本身共12个自由度，运动灵活，越障性和环境适应性较强，在执行星球探测、战场侦察、排爆、灾难救援等较复杂高危环境中应用性很强。 关键词： 机器人 四足 仿生 带传动毕业设计（论文）外文摘要Title ：The Quadruped Mobile Robot Structure DesignAbstract:The design is the quadruped mobile robot, it can be controlled remotely and have actions autonomously . It in

3、cludes a leg structured on body, driven by servo motors, and a control device on the body, leg structure is divided into the hip, thigh, knee, ankle joint, foot, control four degree of freedom variables by four servo motors, so as to realize the bionic robot move. The mobile robot can adapt to compl

4、ex and unpredictable unstructured environment. In the condition of ensuring sufficient strength, stiffness, the overall quality should be restricted, in order to reduce the driving sources consumption, which makes the robot flexible design. The weight of body is 15KG, using LY2 hard aluminum alloy w

5、hich is light and strong as the leg structural materials, the average mobile speed is designed greater than or equal to 0.4m/s, the agency itself consists of 12 degrees of freedom, it can move flexibly, and have strong obstacle and environment adaptability, in the implementation of planetary explora

6、tion, battlefield reconnaissance, EOD, disaster relief and other more complex risk environment it also have a strong adaptability.Keywords： Robot Bionic Quadruped Belt transmission目 次1 概述- 1 -1.1 绪论- 1 -1.2 国内外研究现状及关键技术- 1 -1.3 本课题主要研究内容- 5 -2 四足仿生移动机器人的结构设计原则及要求- 5 -2.1 四足仿生移动机器人的总体方案确定- 5 -2.2 机器人

7、机械结构及传动设计- 9 -3 电机的确定- 13 -3.1 各关节最大负载转矩计算- 13 -3.2 机器人驱动方案的对比分析及选择- 14 -3.3 驱动电机的选择- 15 -4. 带传动设计- 21 -4.1 各参数设计及计算- 21 -4.2 带型选择及带轮设计- 21 -5工作装置的强度校核- 23 -5.1 轴的强度校核- 23 -5.2 轴承的选型- 25 -结 论- 26 -参 考 文 献- 27 -致 谢- 29 -word文档 可自由复制编辑1 概述1.1 绪论随着机械制造行业技术水平的提高及机械电子、计算机、材料等学科的发展，促进了机器人应用到更广泛的行业领域内。由于人类

8、探索活动的广度和深度不断提高，加速了机器人的发展与应用。自然环境中有约50的地形，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地方如森林，草地 湿地，山林地等地域中拥有巨大的资源，要探测和利用且要尽可能少的破坏环境，足式机器 人以其固有的移动优势成为野外探测工作的首选，另外，如海底和极地的科学考察和探索， 足式机器人也具有明显的优势，因而足式机器人的研究得到世界各国的广泛重视。现研制成 功的足式机器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。曾长期作为人类主要交通工具的马，牛，驴，骆驼等四足动物因其优越的野外行走能 力和负载能力自然是人们研究足式机器人的重点仿生对象。因而四足机器人在足式机

9、器人中 占有很大的比例，一直以来也是国内外机器人领域的研究热点之一。作为机器人的一个极其重要分支，四足移动机器人相对与两足步行机器人具有较强的承载能力、较好的稳定性，而且结构又比六足、八足步行机器人简单，因而深受到各国研究人员的重视。在四足移动机器人中，机构重要部分之一足结构的设计，是机器人设计的关键，设计得当可使其机构简单大大简化控制方案。有学者认为：从稳定性和控制难易程度及制造成本等方面综合考虑，四足机是最佳的足式机器人形式，四足机器人的研究颇具实用价值和社会意义。1.2 国内外研究现状及关键技术1.2.1 国内外研究现状日本在四足机器人研究领域最具成果，最具有创新性的成果是电气通信大学研

10、制成功的采用基于神经振荡子模型CPG(Central Pattern Generator)的控制策略1而CPG是足式机器人近10年来在控制方面取得的最具突破性成果2。2000-2003年研制成功具有宠物狗外形的机器人用一台PC机系统控制，瑞士Maxon直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘、陀螺仪、倾角计和触觉传感器。基于CPG的控制器用于生成机体和四条腿的节律运动，而反射机制通过传感器信号的反馈，来改变CPG的周期和相位输出。机器人能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。美国的四足机的典型代表是卡耐基美隆大学研制的BigDog，外形体

11、特和比例很像一条凶猛的猎犬，是仿生机器人中最像仿生对象的机器人之一，它能够在泥泞地面或粗糙的瓦砾地面以不同步态自如行走，最大负载52KG，具有很强的野外行走能力。最大的特点是在剧烈的侧面冲击作用下，仍具有很好的机体平衡能力，能保持平衡而不倒，如图1所示。现已计划深入研究BigDog四足移动机器人，使其性能达到实现多种动态移动，如平衡、走、爬行、跑等，并使其多方面达到一个新的水平3，具备识别粗糙地形、运载货物能力、自主控制能力等。图1 美国卡耐基美隆大学研制的BigDog加拿大 McGill 大学智能机器中心机器人技术实验室研制了Scout-I与Scout-II两代四足移动机器人，Scout-I

12、的每条腿仅有l个自由度，髋部也只有1个驱动器，主要被用来进行行走控制，它的机械结构虽然简单，却有着良好的动态稳定性，如图2；图3自主型奔跑机器人Scout-II，也是髋部只有1个驱动器，但只需改变前腿和后腿的触地力矩和触地角度4个参数，控制两个自由度的变量，进而就可以控制机器人的运动。图2 Scout-I 图3 Scout-II1998年BISAM四足机器人由德国开发。该机器人主要结构由头部、4条腿和主体组成。四足机器人总重为14.5kg，内部装有立体摄像头、处理器、微控制器及电池。法国的Bourges (France)大学也研制成功SILO4系列四足机器人。韩国设计一款了从地面到墙壁的行走的

13、四足爬墙机器人MRWALLSPECT-III，并完成了试验。从20世纪80年代我国开始了四足移动机器人的研究，并取得了一系列的研究成果，积累了丰富的研究经验。非常规行走机构的研究从70年代开始，由吉林工业大学陈秉聪教授和庄继德教授分别带领两个研究小组研究。1985年，一台具有两条平行四边形腿主要用于无硬底层的水田耕作的步行机耕船台车试验成功，并土槽中表现出较高的牵引效率。1991年， JTUWM 系列四足步行机器人由上海交通大学马培荪等成功研制。JTUMMIII，仿制马腿的3个自由度，各个关节的运动由直流伺服电机分别驱动。该机器人采用两级分布式控制系统，有PVDF测力传感器装在脚底，采用模糊算

14、法与人工神经网络相结合，位置和力混合控制，实现了四足步行机器人JTUMMIII的慢速动态行走，极限步速为1.7 kmh 。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，起到缓冲和储能作用4。另外，1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下 ，孙汉旭博士进行了刚性足步行机的研究，试制成功了一台四足步行机，并进行了步行实验。清华大学机器人及智能自动化实验室正在研制QW-1四足全方位步行机器人。哈尔滨工业大学在对现有地面移动机器人特点分析及结构形式基础上，提出名为HIT-HYBTOR的轮足式四足移动机器人概念模型，3个自由度的轮腿机构被四个独立驱动的轮代替，构成2个自由度的髋关节，有

15、1个自由度的膝关节，轮式机器人和足式移动可以根据环境需求切换。该模型结合了足式机器人和轮式机器人的优点，轮式和足式两种运动方式根据不同的环境变换，以达到较高的移动速度和良好的运动灵活性的统一，如图下4。图4 HIT-HYBTOR1.2.2 机器人研究的关键技术运动稳定性研究和步态规划行走稳定性和步态规划是研究足式机器人的不可分割两个基本问题。四足式机器人因满足三点支撑而容易保证静态稳定性,难点是如何实现动态稳定性5。四足机步态规划方面，目前研究较多的步态方式是模仿马等四足动物行走典型步态：如爬行（Crawl）,对角小跑（Trot）,溜蹄（Pace），跳跃（bounding），定点旋转（Rota

16、tion），转向（spinning）等。这几种步态在实验室条件下均有成功的试验记录。标准步态比较容易实现，现阶段大量的文献所研究的是这几种标准步态及其转换的规划和控制问题。如爬行步态（crawl）的规划与稳定性控制69；对角小跑稳定性步态规划控制（trot）1013 ；溜蹄（pace）步态规划控制的有。跳跃步态稳定性与步态规划奔跑是足式机器人快速移动必不可少的一种步态,且机器人要想越过大于等于自身大小的障碍物，一般移动方式显得无能为力，而动物利用跳跃步态可轻易越过较大的障碍。另外在月球，火星等外太空微重力环境下，跳跃式前进的效率上具有明显的相对优势。目前对四足机步态研究，跳跃步态的研究是最具挑

17、战性的难点问题，原因是：（1）需要复杂的机体和腿机构的协调动作控制，同时腿机构的摆动惯性力对机体姿态的动力学性能影响明显增大，成为系统不可忽略的动力学因素。（2）腿机构的缓冲装置是必不可少的，否则机体的关节将受到很大的冲击力，有可能损坏关节和驱动元件。（3）跳跃步态需要更大的瞬时驱动力，现有的腿机构的驱动元件的功率密度还不能达到设计要求。解决跳跃步态的有效方法是仿生学的应用。腿机构的设计：腿机构是足式机器人的关键部件，腿机构的自由度数和工作空间是足式机器人能够实现的可能步态的几何基础；另外足的布局形式，腿的质量都对稳定性和步态也有较大的影响。要适应野外环境的顺应行走，对腿机构有特殊的要求。行走

18、效率及便携式能源：在运动过程中各关节的关节角在不断的变化中，力或力矩的传递效率平均值较低。且行走速度与负载有很大的关系。腿机构的效率和能量利用率目前还很低。高效的动物腿机构给研究提供了很好的借鉴，但机器人各关节的驱动方式与动物存在很大的不同，动物的肌腱肌肉均是具有弹性的储能元件。机器人的腿机构和关节均为刚性连接，不但不能储能，且因触地的冲击，要消耗掉许多能量。许多学者正在研究这一问题控制系统及控制方法：机器人与环境的交互时存在环境识别，导航，轨迹规划等移动机器人的共性问题，使得控制系统相当复杂。四足机器人从控制任务方面存在的困难是行走控制需要多个子系统的密切配合才能完成复杂的任务。1.3 本课

19、题主要研究内容本课题在了解移动机器人现状的基础上，分析各种机器人的结构特点，拟定总体方案，进行四足仿生移动机器人结构设计。利用三维软件绘制新型四足仿生移动机器人。机器人的结构设计是硬件设计的重要环节，通过对四足仿生机理的研究，综合考虑需要实现的功能和其他因素，设计出具有质量小运动灵活的四足仿生机器人单腿结构。2 四足仿生移动机器人结构设计原则及要求2.1 四足仿生移动机器人的总体方案确定腿结构是足式机器人设计的关键，腿机构的自由度数和工作空间是机器人可能实现步态的几何基础，另外腿的空间布局和质量都对稳定性和步态规划有很大影响。要实现复杂环境的顺应行走，对腿机构提出了基本的要求：(1) 实现运动

20、的要求；(2) 承载负载的要求；(3) 机构实现和控制能力的要求。腿机构的设计准则是：(1) 腿机构至少应该有3个自由度，足端具备一个立体的三围工作空间；(2) 处于支撑状态的足端相对与机体有直线运动，避免因机身上下波动消耗不必要的能量(3) 要有足够的刚度且质量应尽量小自由度分析根据仿生学，腿结构一般分为髋关节、大腿、膝关节、小腿、腕部，其中髋关节有实现水平旋转和俯仰的两个自由度，膝关节实现俯仰，为使整条腿有较好的灵活度和利于整体的稳定性控制，采用两个自由度，腕部实现俯仰的一个自由度。综上拟定每条腿有5个自由度的四足仿生机器人，结构简图如下。图5 结构简图总体方案的确定初步选定整体尺寸：长9

21、00mm宽1800mm高750mm为限制过载转矩起到保护作用和输出恒定转矩，采用带驱动系统，方案示意如下图6、图7。图6 方案示意方案示意图1、腿 2、从动带轮 3、带固定点 4、齿轮 5、齿轮2 6、带17、齿轮3 8、惰轮 9、齿轮4 10、带2 11、驱动带轮 12、蜗轮13、蜗杆 14、电机1 15、减速16、电机2 17、齿轮5 18、齿轮619、减速器 20、电机3 21、机体图7 方案示意图22、带固定点 23、从动带轮 24、带325、惰轮 26、带4 27、惰轮28、带5 29、电机42.2 机器人的主要性能参数2.2.1 技术指标：(1) 平均机动速度：0.4m/s(2)

22、爬行能力：野外各种复杂地面(3) 操作方式：遥控(4) 动力特性：电池2.2.2 足末端工作空间计算 建立如图8所示坐标系 图8 坐标系由前置坐标系求取末端空间位姿列变量表连杆扭角连杆长度a连杆间距D转角变量0150045000150004500T = = 可得腿部末端的空间位置为（X,Y,Z）2.2.3 材料选择按工作要求，四足仿生移动机器人要实现全方位行走，且适应复杂地形。在保证足够强度、刚度的条件下，对整个腿的质量要加以限制，减少驱动源的动力消耗，使机器人轻便灵活，这要求足轻而且坚固LY2硬质铝合金作为腿结构材料。2.2.4 其他技术参数的拟定(1) 其腿部结构尺寸为：髋关节长度：l1=

23、150mm;大腿长度： l2=450mm膝关节长度：l3=150mm;小腿关节长度：l4=450mm；足长：l5=100mm(2) 其腿部质量参数为：单腿质量：1KG极限夹持重量：1.5KG髋关节质量：m1=0.15KG大腿质量 ：m2=0.3KG膝关节质量：m3=0.15KG;小腿关节质量：m4=0.3KG足质量：m5=0.1KG2.3 机器人机械结构及传动设计根据本设计的要求，并对国内外四足仿生移动机器人的典型结构加以参考，对各个回转关节的传动方案和结构初步单独分析。2.3.1 机器人腰部回转关节设计腰部外安放一驱动电机1，驱动内部齿轮2齿轮3传动装置，实现竖直主轴4的转动，从而实现大腿5

24、，小腿6等工作部分的旋转自由度，如图9腰部设计,内部传动。 612435图9 腰部传动设计61-驱动电机 2-齿轮 3-齿轮 4-竖直主轴 5-大腿 6-小腿2.3.2 机器人大腿和小腿转动关节设计591078在大腿与肩部连接关节处安装一驱动电机7，带动与之相连的蜗轮8旋转，进而带动与蜗杆8啮合的蜗轮9旋转，蜗轮旋转使得与之相连的轴10旋转，这样最终转动大臂5，机构设计如图10大臂传动设计。而小臂与大臂之间通过膝关节连接，大腿上装有电机11，带动带轮12旋转，用一圆带13连接带轮14，带轮14与膝关节用键连接使其无相对旋转，电机旋转时膝关节与大腿便产生相对转角。齿轮15通过轴16及键固定在大腿

25、上，膝关节与大腿的相对转角通过齿轮17、18传递给19，齿轮19与小腿无相对运动，这样小腿跟膝关节便产生一个与膝关节跟大腿相同大小的相对转角，且由齿轮传动的变相性小腿与膝关节的旋转方向一致，设计如图11小腿传动设计。图10 大腿传动设计7-电机 8-蜗轮 9-蜗杆 10-传动轴181514111216171813图11小腿传动设计11-电机 12-带轮 13-圆带 14-带轮 15-齿轮 16-齿轮 17-齿轮 18-齿轮 2.3.3 机器人腕部活动关节的设计设计机器人手腕自由度数时，要根据作业需要来定 14。要使机器人各关节的运动角度愈大，则手腕自由度数目应愈多，那么机器人的灵活性就愈高，在

26、作业中就会表现出愈强的适应能力。，同时腕部结构的复杂性会随自由度的增加而增加，机器人的控制也就更困难，使其成本增加。因此，要根据实际作业要求来确定手腕的自由度数。在能达到作业要求的前提下，应尽可能的减少自由度数。一般的机器人手腕有2至3个自由度，有的则需要更多的自由度数，而有不需要自由度，实现作业的任务要求仅凭受腰部和臂的运动就能完成。所以要具体问题具体分析，考虑四足机器人的运动方案，多种布局，选择最简单的方案并使其满足要求，综上则该四足仿生移动机器人腕部采用一个自由度。机器人腕部安装在足式机器人手臂的末端，在设计时应尽量减少手腕的体积和重量，使其结构紧凑。采用分离传动驱动器的腕部机构，以减轻

27、机器人腕部重量。腕部驱动器不采用直接驱动，一般在手臂上安装驱动器，并且采用铝合金等强度高材料制造。机器人的末端执行器要联在手腕上，所以要有标准的法兰联接，在结构上使末端执行器装卸简便。在力与运动传递的过程当中，机器人的手腕机构要体现足够的刚度和强度，用以保证实现其动作。为减小空回间隙，提高传动精度，应设有可靠的传动间隙调整的机构。为避免超限造成机械损坏，在各关节轴转动处要有限位开关，且设置硬限位。综上腕部结构及传动初步设计如下：313028272625242322202129 图12 腕部转动设计20-传动电机 21-带轮 22-带 23-带轮 24-带 25-带轮 26-带 27-带轮 28

28、-圆柱直齿轮 29-圆柱直齿轮 30-传动轴 31-手腕部分电机20的旋转驱动带轮21，通过带22、带轮23、带24、带轮25、带26、带轮27将动力传递给齿轮28，与之啮合的圆柱直齿轮29旋转，并带动传动轴30从而可实现手腕部分31的旋转自由度，如图11、12腕部转动设计。该方案的结构相对复杂，但整体重量相对较轻，且紧凑性更好，可以自由选择电机类型。2827302931图13腕部俯仰设计27-带轮 28-圆柱直齿轮29-圆柱直齿轮 30-传动轴 31-手腕部分3 电机的确定3.1 各关节最大负载转矩计算3.1.1 运动状态分析机器人一个步态周期由四条腿依次“抬起摆动放下”的动作构成，而每条腿

29、得“抬起摆动放下”需要一个步态周期分成若干个阶段与之相对应，要保证行走的稳定性就需要合理控制每条腿来实现。机器人总重m=15KG，重心在机体中心。行走时三腿承受重量，一腿迈步。单腿承受力约F=75N3.1.2 负载转矩的计算 腿撑地时负载转矩的计算L=/2=2012.46mm撑地状态时最大负载转矩分析受力分析： G （L2+L3） F1 F2 弯矩分析： y x则髋关节最大负载转矩 = =41.7N.m此时膝关节最大负载转矩 =7.95 N.m抬腿至水平时负载转矩的计算:抬腿至水平时状态如右图此时弯矩图如右： M2=G1+ 0.4m/s带入数据，计算得 =0.5*；由V=0.4m/s 令最大摆

30、脚=120=2/3 R=0.45m 由v= 由联立得=8.5r/min传动比定为1/120；负载转动惯量=4g(J1+J2) 10mmJ1= 100mm =2.7* D1=10CM D2=8CM L=15CM得J1= aL1段绕a 旋转 L1J2= =0.102 l2 L3 L4则=4.083.3.2 髋关节水平旋转电机选配 L5由（3-1）得=4.54其中传递效率取0.98=(1/120)= 2.8由（3-2）可得TL=4.2TP(启动最大转矩)1.3 TL 以保证电机可靠运行，TP=5.5N.m机械系统的动态特性受惯量影响，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，马达的负载也就越大，越

31、难控制，但机械系统的惯量需和马达惯量相匹配才行，一般负载惯量建议应小于电机惯量的5倍。 即 J1+J2：Jm0.0204综上=4.54 TP=5.5N.m Jm0.0204 N=1020r/min3.3.3髋关节俯仰电机选配俯仰参数计算设最大摆脚1=45 摆脚时间t=1s 传动比i=1:150 传递效率=0.99Nl=7.5r/min Tl=M2=41.7N.m Jl=J2=0.102KG. Nm=Nl*150=1125r/minTl=TL/150. =0.28 N.m V J1JL=(Jl+J2)/+J1 J1J2= =1.6*kg.J1= =6.57*kg.则JL=0.045 kg.计算得

32、=33.08 TP=0.364N.m Jm0.009 N=1125r/min3.3.4 膝关节电机选配参数计算 齿轮 1=0.99 J4 J5 J6带 2=0.99 J2减速器 3=0.99 J3大齿轮直径D1=8cm J1小齿轮直径D2=6cm 带轮直径 D1=8cm 带长L=2L2+d3=925mm由设定条件知摆脚2=45时间t=1s由介轮条件知大小轮相对转角的2倍为膝关节变量Nl=3.75r/minTl=M3=1.925J1=(m4+m5)=400J2=0.0016= J5= J6J3= J4=0.0005JL=J6+()(J1+J2+J3+J4+J5)=0.01Nm=Nl*300=11

33、25r/minTL= Tl/300*=0.0065计算得=0.764 TP=0.00845N.m Jm0.002 N= 1125r/min3.3.5 腕关节电机选配参数计算 带 1=0.99 减速器 2=0.99设定腕关节转速 Nl=5r/min传动比为 1:200电机转速 Nm=1000 r/minJ1=m=3.3J2=J3=J4=J5=0.0016JL=J5+()(J1+J2*3)=0.0016Tl= Tl/200*=0.0045计算得=0.47 TP=0.0585N.m Jm0.00032 N=1000 r/min综上选定电机型号参数如下：maxon电机，Re10系列输出功率1.1W,电压12V ，出转速为1000转，0-15V可以使用，带直径10mm的减速器.带编码器6根线输出，可送编码器的接线资料。电机机身长度（含编码器.减速器）为46.5mm。输出轴为2mm，长度为12mm maxon电机，属于Re10系列maxon电机，属于Re10系列4. 带传动设计4.1 各参数设计及计算4.1.1参数设计